1 Экспериментальные исследования тепломассообменных и газодинамических процессов РАКОВ Юрий Яковлевич Томский политехнический университет, кафедра ТПТ Курс лекций

2 Распределение учебного времени Лекции-27 часов (ауд.) Практические (семинарские) занятия-18 часов (ауд.) Лабораторные занятия-27 часов (ауд.) Всего аудиторных занятий72часа Самостоятельная (внеаудиторная) работа-126часов Общая трудоемкость-192часа Экзамен в 11 семестре Зачет в 11 семестре Лекции-27 часов (ауд.) Практические (семинарские) занятия-18 часов (ауд.) Лабораторные занятия-27 часов (ауд.) Всего аудиторных занятий72часа Самостоятельная (внеаудиторная) работа-126часов Общая трудоемкость-192часа Экзамен в 11 семестре Зачет в 11 семестре

3 СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕХНИКА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

4 Лекция Уравнение теплопроводности и классификация методов определения теплофизических свойств веществ уравнение теплопроводности : оператор Лапласа: в декартовых координатах: в цилиндрических координатах: в сферических координатах: закон теплопроводности Фурье:

5 Классификация методов измерения теплофизических свойств веществ

6

7 Стационарные методы измерения коэффициента теплопроводности

8 Метод неограниченной пластины допущения: 1) температура в любой точке образца не зависит от времени, т.е. имеет место стационарный тепловой режим; 2) КТ материала не зависит от температуры ( = const); 3) отсутствуют утечки тепла с боковой поверхности; 4) нет внутренних источников или стоков тепла. Постановка задачи Решение прямой задачи Решение обратной задачи

9 Схемы измерения КТ стационарным методом пластины

10 Принципиальная схема прибора ИТ-3

11 Метод неограниченного цилиндра Рассмотрим образец в форме полого цилиндра 1 длиной L, внутренним радиусом Rв и наружным радиусом Rн (рис.1.5). при r = Rн при r = Rв Постановка задачи Решение прямой задачиРешение обратной задачи

12 Конструкции и типы установок, для определения КТ методом цилиндра

13 Метод Кольрауша Рассмотрим однородный металлический образец 1 (рис. 1.7) в форме тонкого стержня длиной и диаметром d с идеальной тепловой изоляцией 2 боковой поверхности, через который пропускается электрический ток I от источника питания ИП. Торцы стержня поддерживаются при постоянной температуре Постановка задачи Решение прямой задачи Решение обратной задачи

14 Нестационарные методы определения теплофизических свойств веществ.

15 Метод «вспышки» Рассмотрим (рис.1.8) изотропную неограниченную пластину (1), имеющую начальное распределение температуры, описываемое какой-то функцией f(x). Обе стороны пластины имеют идеальную тепловую изоляцию (2). Требуется определить распределение температуры в пластине для любого момента времени > 0. Постановка задачи

16 Общее и частные решения прямой задачи и расчетная формула метода «вспышки» Общее решение

17 Принципиальная схема экспериментальной установки

18 Конструкция моноэллипсоидной оптической печи

19 Конструкция бипараболоидной оптической печи

20 Метод регулярного режима первого рода Рассмотрим теорию метода на примере образца, выполненного в виде неограниченной пластины, толщина которой равна. Начальная температура образца постоянна по толщине пластины. В начальный момент времени пластина помещается в среду с постоянной температурой. Между ограничивающими поверхностями пластины и окружающей средой происходит теплообмен по закону Ньютона. Требуется найти распределение температуры по толщине пластины. Постановка задачи

21 Решение прямой задачи При Коэффициент температуропроводности вычисляется по формуле

22 Принципиальная схема установки

23 Метод, основанный на сочетании квазистационарного и стационарного теплового режимов Рассмотрим теорию метода на примере нагрева неограниченной пластины толщиной, начальная температура которой постоянна. Одна поверхность пластины нагревается постоянным тепловым потоком, а другая поддерживается при постоянной температуре (рис. 1.17). Постановка задачи

24 Общее решение исходной задачи При при

25 Принципиальная схема экспериментальной установки

26 Методы измерения теплопроводности натрубных отложений

27 Экспериментальная установка для измерения теплопроводности (Варгафтик, Полищук)

28 Теплопроводность шлаков различных топлив [19]

29 Экспериментальная установка для измерения теплопроводности (Таймаров)

30 Схема установка Кржижановского [31]

31 Схема опытной установка Микка [30]

32 Схема установки для радиационно- кондуктивного метода Прасолова [25]

33 Схема экспериментальной установки Абрютина [28]

34 Испытательное устройство Андерсона [36]

35 Схема установки Rezaei H.R. для измерения КТ по относительному методу пластины [38]

36 Сводные данные по определению КТ натрубных золошлаковых отложений

37 Сводные данные по определению КТ натрубных золошлаковых отложений (окончание)

38 Методы измерения теплопроводности, основанные на решении многомерных задач

39 Постановка задачи к методу Глейзера

40 Схема установки Глейзера [44]

41 Постановка задачи к методике Хоча

42 ПРИМЕЧАНИЕ. Решение задачи (1.53) - (1.56) получено методом разделения переменных Решение задачи Хоча

43 Постановка задачи к методике Осетинской

44 Рабочая формула Осетинской

45 Схема экспериментальной установки Осетинской для измерения теплопроводности [47, 48]

46 Постановка задачи к методу Пелецкого

47 Принципиальная схема установки Пелецкого [47, 48]

48 Постановка задачи к методу Фокина

49 Принципиальная схема установки Фокина [42]

50 Теория метода измерения теплопроводности натрубных отложений

51 Схема выделенной области

52 Общая математическая постановка квазиобратной коэффициентной многомерной стационарной задачи теплопроводности имеет вид:

53 К постановке коэффициентной квазиобратной стационарной задачи теплопроводности для прямоугольного параллелепипеда Схема распределения тепловых потоков при нагреве и охлаждении параллелепипеда

54 Матпостановка коэффициентной квазиобратной стационарной задачи теплопроводности для прямоугольного параллелепипеда

55 Матпостановке стационарной задачи для параллелепипеда при λ=const

56 К постановке коэффициентной квазиобратной стационарной задачи теплопроводности для ограниченного цилиндра Схема распределения тепловых потоков при нагреве и охлаждении ограниченного цилиндра

57 Матпостановка коэффициентной квазиобратной стационарной задачи теплопроводности для ограниченного цилиндра

58 Матпостановке стационарной задачи для цилиндра при λ=const

59 Схема расположения представительных элементов на образце

60 Схема сеточной области

61 Балансовые уравнения в случае нагрева образца от высокотемпературной печи с температурой Тр

62 Балансовые уравнения в случае нагрева образца от высокотемпературной печи (продолжение 1)

63 Балансовые уравнения в случае нагрева образца от высокотемпературной печи (продолжение 2)

64 Балансовые уравнения в случае нагрева образца от высокотемпературной печи (продолжение 3)

65 Балансовые уравнения в случае нагрева образца от высокотемпературной печи (окончание)

66 Балансовые уравнения в случае нагрева верхней поверхности образца постоянным тепловым потоком

67 К вычислению интегральных потоков

68 Аппроксимация путем разложения в ряд Тэйлора

69 С целью выбора наиболее эффективного способа решения полученных систем конечно- разностных уравнений было реализовано несколько итерационных методов: метод одновременных смещений (метод простой итерации); метод последовательных смещений (метод Либмана); метод последовательной верхней релаксации (ускоренный метод Либмана).

70 Результаты расчета температуры поля в центре образца по оси Z в зависимости от количества узлов (Nx = Ny = Nz= N)

71 Количество итераций (числитель) и время расчета на ПК (знаменатель), необходимое для решения задачи на теплопроводность в зависимости от метода расчета и числа узлов

72 Зависимость количества итераций от параметра релаксации при различных КТ

73 Имитационное моделирование коэффициента теплопроводности натрубных отложений

74 Основные этапы имитационного моделирования расчета коэффициента теплопроводности натрубных отложений отладка программы решения обратной коэффициентной задачи теплопроводности; оценка влияния погрешностей измерения первичных величин (исходных данных) на значение КТ; оценка погрешности расчета КТ при разных способах нагрева образца; определение температуры отнесения при зависимости КТ от температуры; оценка погрешности определения КТ при использовании метода покоординатного спуска для решения обратной задачи теплопроводности.

75 Отладка программы решения обратной коэффициентной задачи теплопроводности (вычислительного эксперимента для образца с длиной ребер 10 *10*10 мм)

76 Оценка влияния погрешностей измерения первичных величин (исходных данных) на значение КТ

77 Влияние совокупной погрешности измерения всех параметров на вычисление КТ (завышение результата)

78 Влияние совокупной погрешности измерения всех параметров на вычисление КТ (занижение результата)

79 Оценка погрешности расчета КТ при разных способах нагрева образца

80 Оценка погрешности расчета КТ при разных способах нагрева образца

81 Оценка погрешности расчета КТ при разных способах нагрева образца

82 Оценка погрешности расчета КТ при разных способах нагрева образца

83 Оценка погрешности расчета КТ при использовании метода покоординатного спуска для решения обратной задачи теплопроводности

84 Принципиальная схема установки для определения КТ золовых натрубных отложений

85 Экспериментальные исследования теплопроводности натрубных отложений

86 Схема компоновки котла БКЗ НТВ A, B, C – места отбора проб

87 Температурная зависимость коэффициента теплопроводности отложений (БКЗ НТВ)

88 Схема компоновки котла ТПЕ-427 NN1-10 – номера образцов и места их отборов

89 Примеры образцов отложений

90 Химический состав золовых отложений с поверхностей нагрева котла ТПЕ-427

91 Ренгенограммы образцов золовых отложений с поверхностей нагрева котла ТПЕ-427

92 Плавкостные характеристики образцов золовых отложений с поверхностей нагрева котла ТПЕ-427

93 Температурная зависимость коэффициента теплопроводности отложений (ТПЕ- 427)

94 Обобщенная температурная зависимость удельной теплоемкости образцов

95 Зависимость отношения λ/c от температура (а) и среднего КТ (б)

96 Зависимость КТ натрубных отложений при температуре 400 °С от содержания серного ангидрида 1–сульфатно-связанные отложения; 2–железистые отложения; 3–шлаковые отложения; 4–сыпучие отложения; A–область железистых отложений; B–область шлаковых отложений; С–область сыпучих отложений; D–область сульфатно- связанных отложений 1–сульфатно-связанные отложения; 2–железистые отложения; 3–шлаковые отложения; 4–сыпучие отложения; A–область железистых отложений; B–область шлаковых отложений; С–область сыпучих отложений; D–область сульфатно- связанных отложений

97 Спасибо за внимание.